Периодическая система и распространенность химических элементов в природе

Распространенность и миграцию химических элементов в геосферах изучает наука геохимия. Геосферы — это концентрические оболочки Земли, различающиеся плотностью и химическим составом. К их числу относятся ядро, мантия, земная кора, гидросфера, атмосфера и магнитосфера. Земная кора и расположенная под ней часть верхней мантии Земли (субстрат) образуют литосферу. Глубина литосферы колеблется от 50 до 200 км. Область распространения жизни на Земле выделяют в особую оболочку — биосферу. В нее входят: нижняя часть атмосферы (тропосфера), гидросфера и верхняя часть литосферы. Особую роль в биосфере играет живое вещество — совокупность живых организмов, выраженная в единицах массы и энергии (определение В. И. Вернадского). Геохимическую деятельность живого вещества изучает биогеохимия.

Основоположниками геохимии были российские ученые В. И. Вернадский и А. Е. Ферсман и норвежский ученый В. М. Гольдшмидт.

Распространенность химических элементов.

Содержание каждого из химических элементов в геосферах установлено путем обобщения результатов огромного числа анализов образцов горных пород, речной, озерной, морской и океанической воды, воздуха, растительных и животных организмов. Проанализированы также метеориты и доставленные космическими аппаратами образцы лунного грунта. При помощи спектрального анализа изучен состав космических объектов: звезд, планет, астероидов, комет, межзвездных газа и пыли. В результате этой гигантской работы установлены кларки химических элементов.

Число, выражающее среднее содержание химического элемента на Земле в целом, в каждой из геосфер в отдельности, а также в живом веществе, называют кларком.

Известны кларки и для космических объектов: лунных пород, атмосферы Солнца и других звезд.

В. М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии.

Кларки химических элементов зависят от строения атомного ядра, а распределение элементов, обусловленное их ми грацией, — от строения электронных оболочек.

В табл. 10.6 приведены кларки (массовые доли в %) 10 наиболее распространенных в литосфере элементов.

Таблица 10.6

Наиболее распространенные элементы литосферы

Из табл. 10.6 очевидно, что в литосфере преобладают элементы с небольшими атомными массами. Их называют легкими элементами. Из приведенных в таблице элементов самую большую атомную массу имеет железо. Все они располагаются в верхней части периодической системы: в периодах с первого, но четвертый включительно. У большинства из них четное число протонов и нейтронов в атомном ядре. Высокими кларками отличаются элементы, у которых преобладают изотопы с атомными массами, кратными четырем.

Элементы с кларками менее 0,01—0,001% называют редкими. Если они при этом не образуют собственных минералов, а встречаются в виде примесей в минералах других элементов, их называют редкими рассеянными элементами.

Геохимическая классификация элементов. Особенности миграции химических элементов нашли отражение в их геохимической классификации. Наибольшее распространение получила классификация, предложенная В. М. Гольдшмидтом, который разделил все химические элементы на четыре группы.

Атмофилъные элементы — благородные газы, водород и азот — присутствуют в виде атомов или двухатомных молекул в атмосфере и в этом состоянии непосредственно не взаимодействуют с другими элементами.

Литофильные элементы — кислород, кремний, алюминий, магний, галогены, щелочные, щелочноземельные и редкоземельные металлы — образуют горные породы земной коры (оксиды, силикаты, солеобразные минералы) и гидратированные ионы гидросферы. Все они обладают большим сродством к кислороду.

Халькофильные элементы — медь, серебро, цинк, кадмий, ртуть, свинец, мышьяк, сурьма и др. — встречаются в сульфидных рудах. Все они обладают большим сродством к сере.

Сидерофильные элементы — железо, кобальт, никель, молибден, металлы семейства платины — преобладают в земном ядре в элементном состоянии.

Атмофильные элементы образуют 18-ю группу и входят в состав первого (водород и гелий) и второго (азот) периодов. Большая часть литофильных элементов находится в левой половине периодической таблицы (табл. 10.7), некоторые из них — в правой половине. Сидерофильные элементы расположены в середине таблицы. Справа от них находятся халькофильные элементы.

Таблица 10.7

Классификация элементов, но Гольдшмидту.

Макроэлементы и микроэлементы. В литосфере макроэлементами считаются те элементы, содержание которых превышает 1% (см. табл. 10.6). В живых организмах к макроэлементам относят те химические элементы, содержание которых превышает 0,1%. Макроэлементами в живом веществе являются: кислород, водород, углерод, азот, кальций, сера, фосфор, калий, магний, железо, кремний, натрий, хлор и алюминий. Их роль в живых организмах различна. Первые 10 элементов (их названия выделены в перечне курсивом) жизненно необходимы для животных и растений. Натрий и хлор, безусловно, нужны всем животным и полезны для некоторых видов растений. Биологические функции кремния и алюминия изучены недостаточно. Все макроэлементы живого вещества располагаются в верхней части периодической системы. Большинство из них входит в состав второго и третьего периодов.

Содержание микроэлементов в живом веществе значительно меньше, чем содержание макроэлементов. К числу жизненно необходимых микроэлементов для всех видов растений относят: бор, марганец, медь, молибден и цинк. Некоторые микроэлементы полезны только отдельным видам растений или микроорганизмов. К их числу принадлежат кобальт, мышьяк, бром, фтор, иод, литий, никель, рубидий, селей, стронций, титан, ванадий.

Животным и человеку для нормального роста и развития из микроэлементов необходимы: марганец, медь, цинк, кобальт, молибден, иод, фтор, селен.

Недостаток или избыток микроэлементов в почвах, водах, атмосфере, кормах и продуктах питания может служить причиной заболеваний растений, животных и человека, которые называют эндемическими заболеваниями или биогеохимическими эндемиями. Для предотвращения недостатка микроэлементов в почвах применяют микроудобрения. Для борьбы с эндемическими заболеваниями человека используют фторирование питьевой воды и введение соединений фтора в зубные пасты, иодирование поваренной соли, препараты, содержащие жизненно необходимые микроэлементы. В рационы сельскохозяйственных животных включают минеральную подкормку.